JP2024046756A - Transistor Structure - Google Patents

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Abstract

【課題】ラッチアップを回避するためにNMOSおよびPMOS間のレイアウトアイソレーションに使用される平面領域を最小にする。【解決手段】初期半導体表面(OSS)と並び、その水平方向の境界を有する半導体基板であって、NMOSトランジスタおよびPMOSトランジスタのソース/ドレイン領域の第2の半導体領域(たとえばN+ドーピングされた領域431および432)を成長させるための、より安定した(平面の)ベースをもたらす。第1の半導体領域430および第2の半導体領域(たとえばN+ドーピングされた領域431および432)は、選択エピタキシャルシリコン(Si)またはシリコン/ゲルマニウム(SiGe)により、形成され、SiGeの場合、それは、ソース/ドレイン領域に圧縮ひずみを与えて、NMOSトランジスタおよびPMOSトランジスタのイオンを10~20%改善する。【選択図】図12BThe present invention provides a method for minimizing the planar area used for layout isolation between NMOS and PMOS to avoid latch-up. The present invention provides a semiconductor substrate aligned with an initial semiconductor surface (OSS) and having a horizontal boundary therewith, which provides a more stable (planar) base for growing second semiconductor regions (e.g., N+ doped regions 431 and 432) of the source/drain regions of the NMOS and PMOS transistors. The first and second semiconductor regions (e.g., N+ doped regions 431 and 432) are formed by selective epitaxial silicon (Si) or silicon/germanium (SiGe), which in the case of SiGe provides a compressive strain to the source/drain regions to improve the ion of the NMOS and PMOS transistors by 10-20%. (Selected Figure: Figure 12B)

Description

本発明は、新たなトランジスタ、および/または新たな相補型MOSFET(CMOS)構造に、特に、電流リークを低減させ、短チャネル効果を低減させ、およびラッチアップを防止し得る、たとえばDRAMの周辺回路またはセンスアンプ内で利用される、新たなプレーナトランジスタおよび/または新たな相補型プレーナMOSFET(CMOS)構造に関する。 The present invention relates to new transistors and/or new complementary MOSFET (CMOS) structures, in particular new planar transistors and/or new complementary MOSFET (CMOS) structures that can reduce current leakage, reduce short channel effects, and prevent latch-up, for use, for example, in peripheral circuits or sense amplifiers of DRAMs.

(人工知能(AI)、CPU、GPU等などの)高性能コンピューティングアプリケーションにおいては、(3~7nmなどの)高度テクノロジノードが使用されることが多いが、電力管理IC、MCU、またはDRAMチップなどの多くのICアプリケーションにおいては、(20~30nmなどの)成熟したテクノロジノードがなお一般的である。DRAMを一例として使用すれば、今日では、カスタマイズされたDRAMの大半はなお、(12~30nmなどの)成熟したテクノロジノードにより、製造されており、(データ/アドレスI/O回路、アドレスデコーダ、コマンドロジック、リフレッシュ回路等を少なくとも含む)周辺回路171内のもの、および、(ストレージメモリアレイ、センスアンプ等を含む)アレイコア回路172内のものを含む、(図1Aに示されるような)DRAMチップ17内のすべてのトランジスタはなお、プレーナトランジスタである。 In high-performance computing applications (such as artificial intelligence (AI), CPU, GPU, etc.), advanced technology nodes (such as 3-7 nm) are often used, while mature technology nodes (such as 20-30 nm) are still common in many IC applications such as power management ICs, MCUs, or DRAM chips. Using DRAM as an example, today, most customized DRAMs are still manufactured with mature technology nodes (such as 12-30 nm), and all transistors in the DRAM chip 17 (as shown in FIG. 1A), including those in the peripheral circuits 171 (including at least data/address I/O circuits, address decoders, command logic, refresh circuits, etc.) and those in the array core circuits 172 (including storage memory arrays, sense amplifiers, etc.), are still planar transistors.

図1Bは、DRAMチップの周辺回路内で、および、DRAMチップのアレイコア回路のセンスアンプ内で最も広範囲に使用されている、従来水準のプレーナ相補型金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(CMOSFET)10の断面図を示す。CMOSFET10はプレーナNMOSトランジスタ11およびプレーナPMOSトランジスタ12を含んでおり、シャロートレンチアイソレーション(STI)領域13がNMOSトランジスタ11とPMOSトランジスタ12との間に位置している。(酸化物、酸化物/窒化物、もしくは特定の高誘電率(high-k)誘電体等などの)絶縁体の上の、(金属、ポリシリコン、またはシリサイド等のような)特定の導電材料を使用したNMOSトランジスタ11またはPMOSトランジスタ12のゲート構造14は、絶縁材料(たとえば、酸化物もしくは酸化物/窒化物、または他の誘電体)を使用することにより、他のトランジスタのものから側壁が分離されたCMOSの最上部上に形成される。プレーナNMOSトランジスタ11の場合、n型ドーパントをp型基板(またはp-ウェル)内に注入し、それが、よって、離間している2つのn+/p接合領域をもたらすためのイオン注入および熱アニーリング手法により形成されたソースおよびドレイン領域が存在している。プレーナPMOSトランジスタ12の場合、ソースおよびドレイン領域はいずれも、p型ドーパントをn-ウェル内にイオン注入し、それが、よって、2つのp+/n接合領域をもたらすことにより、形成される。さらに、高濃度にドーピングされたn+/pまたはp+/n接合前のインパクトイオン化およびホットキャリア注入を減らすために、低濃度にドーピングされたドレイン(LDD)領域15をゲート構造の下に形成することが一般的である。 Figure 1B shows a cross-sectional view of a conventional planar complementary metal oxide semiconductor field effect transistor (CMOSFET) 10, which is most widely used in the peripheral circuits of DRAM chips and in the sense amplifiers of the array core circuits of DRAM chips. The CMOSFET 10 includes a planar NMOS transistor 11 and a planar PMOS transistor 12, with a shallow trench isolation (STI) region 13 located between the NMOS transistor 11 and the PMOS transistor 12. The gate structure 14 of the NMOS transistor 11 or the PMOS transistor 12, using a specific conductive material (such as metal, polysilicon, or silicide) on an insulator (such as oxide, oxide/nitride, or a specific high-k dielectric, etc.), is formed on top of the CMOS transistor with sidewalls separated from those of the other transistors by using an insulating material (e.g., oxide or oxide/nitride, or other dielectric). For the planar NMOS transistor 11, there are source and drain regions formed by ion implantation and thermal annealing techniques to implant n-type dopants into a p-type substrate (or p-well), which results in two spaced apart n+/p junction regions. For the planar PMOS transistor 12, both the source and drain regions are formed by ion implantation of p-type dopants into an n-well, which results in two p+/n junction regions. In addition, it is common to form a lightly doped drain (LDD) region 15 under the gate structure to reduce impact ionization and hot carrier injection before the heavily doped n+/p or p+/n junctions.

一方で、前述された熱アニーリングプロセス中に、CMOSFET10内の、注入されたn型またはp型ドーパントは、不可避的に、異なる方向に拡散し、ソースおよびドレイン領域の面積を拡大する。さらに、別の熱アニーリングプロセスがDRAMチップのアレイコア回路内のアクセストランジスタの上のキャパシタの形成中に起きて、キャパシタとアクセストランジスタとの間の接続抵抗を低減させる。そうした第2の熱アニーリングプロセスはこの場合もまた、n型またはp型ドーパントの拡散をもたらし、ソースおよびドレイン領域の面積を増加させる。熱アニーリングプロセスにより、ソースおよびドレイン領域の面積が大きくなるほど、ソースおよびドレイン領域間の有効チャネル長(図1Bに示されるLeff)は短くなり、そうした低減させられた有効チャネル長Leffは、短チャネル効果(SCE)を招く。したがって、SCEの影響を低減させるために、熱アニーリングによる、n型またはp型ドーパントの拡散を収容するために、より長いゲート長を確保することが一般的である。一例として25nmのテクノロジノード(λ)を使用すれば、確保されるゲート長は、テクノロジノードλの約4倍である約100nmになる。 On the other hand, during the aforementioned thermal annealing process, the implanted n-type or p-type dopants in the CMOSFET 10 inevitably diffuse in different directions, enlarging the area of the source and drain regions. In addition, another thermal annealing process occurs during the formation of a capacitor on the access transistor in the array core circuit of the DRAM chip to reduce the connection resistance between the capacitor and the access transistor. Such a second thermal annealing process again results in the diffusion of n-type or p-type dopants, increasing the area of the source and drain regions. The larger the area of the source and drain regions is due to the thermal annealing process, the shorter the effective channel length (Leff shown in FIG. 1B) between the source and drain regions is, and such a reduced effective channel length Leff leads to short channel effects (SCE). Therefore, in order to reduce the effect of SCE, it is common to ensure a longer gate length to accommodate the diffusion of n-type or p-type dopants due to thermal annealing. As an example, if a technology node (λ) of 25 nm is used, the gate length ensured will be approximately 100 nm, which is about four times the technology node λ.

他方で、NMOSトランジスタ11およびPMOSトランジスタ12はそれぞれ、近傍において互いに隣接して形成されているp-基板およびn-ウェルの一部の隣接領域内に位置しているので、n+/p/n/p+(図1B中、破線が付されたパスはn+/p/n/p+ラッチアップパスと呼ばれる)寄生バイポーラデバイスと呼ばれる寄生接合構造は、NMOSトランジスタ11のn+領域から始まって、p-ウェルへの、近傍のn-ウェルへの、そしてさらにPMOSトランジスタ12のp+領域までのその輪郭で形成される。 On the other hand, since NMOS transistor 11 and PMOS transistor 12 are located within adjacent regions of a portion of the p-substrate and n-well formed adjacent to each other in the vicinity, a parasitic junction structure called an n+/p/n/p+ (the dashed path in FIG. 1B is called an n+/p/n/p+ latch-up path) parasitic bipolar device is formed with its contour starting from the n+ region of NMOS transistor 11 to the p-well, to the nearby n-well, and further to the p+ region of PMOS transistor 12.

大きなノイズがn+/p接合またはp+/n接合上に一旦、発生すると、非常に大きな電流がこのn+/p/n/p+接合を異常に流れる場合があり、それは、場合によっては、CMOS回路の一部の動作を停止させ、チップ全体の誤動作を引き起こし得る。ラッチアップと呼ばれるそうした異常現象は、CMOS動作にとって有害であり、避けられなければならない。確かにCMOSの弱点である、ラッチアップに対する耐性を向上させる1つのやり方は、(図1B中、ラッチアップ距離と付された、)n+領域からp+領域までの距離を増加させることであり、n+およびp+領域いずれも、通常、STI(シャロートレンチアイソレーション)領域13であるアイソレーション領域としての特定の縦に向けられた酸化物(または他の好適な絶縁体材料)により、分離されるように設計されなければならない。一例として25nmのテクノロジノード(λ)を使用すれば、確保されるラッチアップ距離は、テクノロジノードλの約20倍である約500nmになる。ラッチアップを回避するための、より真剣な取り組みでは、n+領域およびp+領域間の距離をさらに増加させるガードバンド構造を設計しなければならず、および/または、ノイズ源からの異常電荷を収集するために余分なn+領域またはp+領域を追加しなければならない。これらのアイソレーション手法は常に、CMOS回路のダイサイズを犠牲にして、余分な平面領域を増加させる。 Once a large noise occurs on the n+/p junction or p+/n junction, a very large current may flow abnormally through this n+/p/n/p+ junction, which may stop the operation of a part of the CMOS circuit and cause the whole chip to malfunction. Such an abnormal phenomenon, called latch-up, is harmful to CMOS operation and must be avoided. One way to improve the resistance to latch-up, which is certainly a weakness of CMOS, is to increase the distance from the n+ region to the p+ region (labeled as latch-up distance in FIG. 1B), and both the n+ and p+ regions must be designed to be separated by a specific vertically oriented oxide (or other suitable insulator material) as an isolation region, which is usually an STI (shallow trench isolation) region 13. Using a technology node (λ) of 25 nm as an example, the latch-up distance ensured is about 500 nm, which is about 20 times the technology node λ. More serious efforts to avoid latch-up must design guard band structures that further increase the distance between the n+ and p+ regions, and/or add extra n+ or p+ regions to collect anomalous charges from noise sources. These isolation techniques always increase extra planar area at the expense of the die size of the CMOS circuit.

プレーナトランジスタまたはCMOSFETを備えた現行のDRAM設計においては、他の問題がもたらされ、または悪化している。 Other problems are introduced or exacerbated in current DRAM designs with planar transistors or CMOSFETs.

(1)基板/ウェル領域内へのLDD(低濃度にドーピングされたドレイン)構造、p-基板内へのn+ソース/ドレイン構造、およびn-ウェル内へのp+ソース/ドレイン構造の形成などの接合形成プロセスにより生じる接合リークはすべて、制御することが、より難しくなっているが、それは、イオン注入により生じた格子欠陥のために、正孔および電子の空トラップなどの余分な損傷を修復することがより困難な周辺および底部領域いずれをも介してリーク電流が発生するからである。 (1) Junction leakage caused by junction formation processes such as the formation of LDD (lightly doped drain) structures in substrate/well regions, n+ source/drain structures in p-substrates, and p+ source/drain structures in n-wells are all becoming more difficult to control because lattice defects caused by ion implantation cause leakage currents through both the periphery and bottom regions where additional damage such as hole and electron vacancy traps is more difficult to repair.

(2)さらに、LDD構造(またはn+/p接合もしくはp+/n接合)を形成するためのイオン注入が、シリコン表面の最上部から基板へ下方にまっすぐイオンを挿入するためにボンバードメントのような働きをするので、ソースおよびドレイン領域からチャネルおよび基板-ボディ領域への、欠陥がより少ない一様な材料界面を形成することは困難である。というのは、ドーパント濃度は、ドーピング濃度がより高い最上面から下方にドーピング濃度がより低い接合領域まで縦方向に非一様に分布しているからである。 (2) Furthermore, because the ion implantation to form the LDD structure (or n+/p or p+/n junctions) acts like a bombardment to insert ions straight down from the top of the silicon surface into the substrate, it is difficult to form uniform material interfaces with fewer defects from the source and drain regions to the channel and substrate-body regions because the dopant concentration is non-uniformly distributed vertically from the top surface, where the doping concentration is higher, down to the junction regions, where the doping concentration is lower.

(3)ゲート、スペーサ、およびイオン注入の形成を使用する従来のセルフアラインメント方法を使用することのみにより、完璧な位置においてトランジスタのゲート構造のエッジにLDD接合のエッジを揃えることが、より困難になっている。さらに、イオン注入による損傷を除去するための熱アニーリングプロセスは、種々のエネルギ源または他の熱プロセスを使用することによる、高速熱アニーリング方法などの高温処理手法に頼らなければならない。よって生じている1つの問題は、ゲート誘起ドレインリーク(GIDL)電流である。(A. SenおよびJ. Das,「MOSFET GIDL Current Variation with Impurity Doping Concentration - A Novel Theoretical Approach」IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, VOL. 38, NO. 5, MAY 2017から引用された)図1Cに示されるように、ゲートおよびドレイン/ソース領域に近い、薄い酸化物を備えたMOSFET構造には、寄生メタルゲートダイオードが存在しており、問題のGIDLは、ゲートツーソース/ドレイン領域内に形成された寄生メタルゲートダイオードにより誘起され、リーク電流を低減させるために最小にされるべきであることにかかわらず制御することが困難である。生じているもう1つの問題は、有効チャネル長を制御することが困難であり、よってSCEを最小にすることが困難であるということである。 (3) It is becoming more difficult to align the edge of the LDD junction to the edge of the transistor's gate structure in a perfect position only by using the conventional self-alignment method using the formation of the gate, spacer, and ion implantation. Furthermore, the thermal annealing process to remove the damage caused by the ion implantation must rely on high temperature processing techniques such as rapid thermal annealing methods by using various energy sources or other thermal processes. One problem that arises is the gate-induced drain leakage (GIDL) current. (Quoted from A. Sen and J. Das, "MOSFET GIDL Current Variation with Impurity Doping Concentration - A Novel Theoretical Approach" IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, VOL. 38, NO. 5, MAY 2017) As shown in FIG. 1C, in a MOSFET structure with a thin oxide close to the gate and drain/source region, a parasitic metal gate diode exists, and the problematic GIDL is induced by the parasitic metal gate diode formed in the gate-to-source/drain region and is difficult to control even though it should be minimized to reduce the leakage current. Another problem that arises is that it is difficult to control the effective channel length and therefore difficult to minimize SCE.

(4)STI構造の縦方向の長さは、より深くすることがより困難である一方、デバイスアイソレーションの平面幅は小さくされなければならない(さもなければ、エッチング、充填、および平坦化を行う統合プロセスのために、より悪い深さ対開口アスペクト比がもたらされる)ので、縮小されるλに対する、ラッチアップを防止するために確保される近傍トランジスタのn+およびp+領域間の平面分離距離の比例する比率は、低減され得ることなく、CMOSデバイスを小さくする場合にダイ面積低減を損なうように増加され得る。 (4) Because the vertical length of the STI structure is harder to make deeper while the planar width of the device isolation must be made smaller (otherwise resulting in a worse depth-to-opening aspect ratio for the integration process of etching, filling, and planarizing), the proportional ratio of the planar separation distance between n+ and p+ regions of adjacent transistors reserved for preventing latch-up to the shrinking λ cannot be reduced but can be increased to the detriment of die area reduction when shrinking CMOS devices.

本発明は、特に、DRAMチップの周辺回路内に、およびDRAMチップのアレイコア回路のセンスアンプ内に使用される新たなプレーナトランジスタおよびプレーナCMOSFET構造を実現するいくつかの新たな概念を開示しており、それは、電流リークを最小にすること、チャネル伝導性能および制御を向上させること、金属相互接続に対するそれらのコンダクタンス、およびチャネル領域に対するそれらの最も密接な物理的接触をシームレスな規則正しい結晶格子整合で向上させることのようなソースおよびドレイン領域の機能を最適化すること、ラッチアップに対するCMOS回路のより高い耐性を増加させること、ならびに、ラッチアップを回避するためにNMOSおよびPMOS間のレイアウトアイソレーションに使用される平面領域を最小にすることなどの、上述されたような問題の大半を大幅に改善し、または解決さえする。 The present invention discloses several new concepts that realize new planar transistor and planar CMOSFET structures, particularly for use in the peripheral circuits of DRAM chips and in the sense amplifiers of the array core circuits of DRAM chips, which significantly improve or even solve most of the problems mentioned above, such as minimizing current leakage, improving channel conduction performance and control, optimizing the functions of the source and drain regions such as improving their conductance to metal interconnects and their closest physical contact to the channel region with seamless regular crystal lattice matching, increasing the higher resistance of CMOS circuits to latch-up, and minimizing the planar area used for layout isolation between NMOS and PMOS to avoid latch-up.

本開示の一目的は、トランジスタ構造を提供することであり、上記トランジスタ構造は、初期半導体表面(OSS)を備えた半導体基板と、第1のゲート領域と、上記半導体基板において、上記初期半導体表面の下に形成された第1の凹部と、上記第1の凹部内で、上記半導体基板の側壁の縦方向に沿って形成された、湾曲形状または凹状の開口部と、上記第1の凹部内に形成され、第1のドーピング領域および第2のドーピング領域を含む第1の導電領域を備えている。上記第1のドーピング領域は、上記半導体基板の上記側壁の上記縦方向に沿った上記湾曲形状または凹状の開口部をベースとして形成されている。 One object of the present disclosure is to provide a transistor structure, comprising a semiconductor substrate having an initial semiconductor surface (OSS), a first gate region, a first recess formed in the semiconductor substrate below the initial semiconductor surface, a curved or concave opening formed in the first recess along the vertical direction of a sidewall of the semiconductor substrate, and a first conductive region formed in the first recess and including a first doped region and a second doped region. The first doped region is formed based on the curved or concave opening along the vertical direction of the sidewall of the semiconductor substrate.

本発明の一態様によれば、上記第2のドーピング領域の上面は平坦または平面状である。 According to one aspect of the present invention, the upper surface of the second doping region is flat or planar.

本発明の一態様によれば、上記湾曲形状または凹状は、シグマ(Σ)形状のアンダーカットである。 According to one aspect of the present invention, the curved or concave shape is a sigma (Σ) shaped undercut.

本発明の一態様によれば、上記トランジスタ構造は、上記第2のドーピング領域の上面および最側方側壁に接触するメタルプラグを含み、上記第2のドーピング領域は、高濃度にドーピングされた領域である。 According to one aspect of the invention, the transistor structure includes a metal plug contacting a top surface and a lateral-most sidewall of the second doped region, the second doped region being a highly doped region.

本発明の一態様によれば、上記湾曲形状または凹状の開口部が、複数の非縦方向の半導体部分側壁を含み、上記第1のドーピング領域は上記複数の非縦方向の半導体部分側壁をベースとして選択的に成長させられる。 According to one aspect of the invention, the curved or concave opening includes a plurality of non-vertical semiconductor portion sidewalls, and the first doping region is selectively grown based on the plurality of non-vertical semiconductor portion sidewalls.

本発明の一態様によれば、上記トランジスタ構造がさらに、上記第1の凹部内に、第1のアイソレーション領域を含み、上記第1の導電領域が上記第1のアイソレーション領域の上にある。 According to one aspect of the present invention, the transistor structure further includes a first isolation region within the first recess, and the first conductive region overlies the first isolation region.

本発明の一態様によれば、上記湾曲形状または凹状の開口部は、上記第1のゲート領域の下にある。 According to one aspect of the present invention, the curved or concave opening is below the first gate region.

本開示の別の目的は、トランジスタ構造であって、上記トランジスタ構造が、OSSを備えた半導体基板と、第1のトランジスタと、第2のトランジスタとを含む、トランジスタ構造を提供することである。上記第1のトランジスタは、上記OSSの上の第1のゲート領域、上記半導体基板において、上記OSSの下に形成された第1の凹部、上記半導体基板において、上記第1のゲート領域の下に形成され、上記第1の凹部と連通する、湾曲した、または凹状の第1のアンダーカット、および第1のドーピング領域および第2のドーピング領域を有する第1の導電領域を含んでいる。上記第1のドーピング領域の少なくとも一部分は、上記湾曲した、または凹状の第1のアンダーカット内にある。上記第2のトランジスタは、上記OSSの上の第2のゲート領域、上記半導体基板において、上記OSSの下に形成された第2の凹部、上記半導体基板において、上記第2のゲート領域の下に形成され、上記第2の凹部と連通する、湾曲した、または凹状の第2のアンダーカット、および第3のドーピング領域および第4のドーピング領域を有する第2の導電領域を含んでいる。上記第3のドーピング領域の少なくとも一部分が、上記第2の湾曲した、または凹状のアンダーカット内に形成される。 Another object of the present disclosure is to provide a transistor structure, the transistor structure including a semiconductor substrate with an OSS, a first transistor, and a second transistor. The first transistor includes a first gate region above the OSS, a first recess formed in the semiconductor substrate below the OSS, a curved or concave first undercut formed in the semiconductor substrate below the first gate region and communicating with the first recess, and a first conductive region having a first doping region and a second doping region. At least a portion of the first doping region is within the curved or concave first undercut. The second transistor includes a second gate region above the OSS, a second recess formed in the semiconductor substrate below the OSS, a curved or concave second undercut formed in the semiconductor substrate below the second gate region and communicating with the second recess, and a second conductive region having a third doped region and a fourth doped region. At least a portion of the third doped region is formed within the second curved or concave undercut.

本発明の一態様によれば、上記トランジスタ構造は、第1のメタルプラグおよび第2のメタルプラグをさらに含んでいる。上記第1のメタルプラグは、上記第2のドーピング領域の上面および最側方側壁に接触し、上記第2のドーピング領域は、高濃度にドーピングされた領域であり、上記第2のメタルプラグは、上記第4のドーピング領域の上面および最側方側壁に接触し、上記第4のドーピング領域は、高濃度にドーピングされた領域である。 According to one aspect of the present invention, the transistor structure further includes a first metal plug and a second metal plug. The first metal plug contacts an upper surface and a lateralmost sidewall of the second doped region, the second doped region being a highly doped region, and the second metal plug contacts an upper surface and a lateralmost sidewall of the fourth doped region, the fourth doped region being a highly doped region.

本発明の一態様によれば、上記トランジスタ構造は、第1のアイソレーション領域および第2のアイソレーション領域をさらに備えている。上記第1のアイソレーション領域は上記第1の凹部内にあり、上記第1の導電領域は上記第1のアイソレーション領域の上にあり、上記第2のアイソレーション領域は上記第1の凹部内にあり、上記第2の導電領域は上記第2のアイソレーション領域の上にある。 According to one aspect of the present invention, the transistor structure further comprises a first isolation region and a second isolation region. The first isolation region is in the first recess, the first conductive region is above the first isolation region, the second isolation region is in the first recess, and the second conductive region is above the second isolation region.

本発明の一態様によれば、上記第2のドーピング領域の上面は平坦または平面状であり、上記第4のドーピング領域の上面は平坦または平面状である。 According to one aspect of the present invention, the upper surface of the second doped region is flat or planar, and the upper surface of the fourth doped region is flat or planar.

本発明の一態様によれば、上記湾曲した、または凹状の第1のアンダーカットは、複数の非縦方向の半導体部分側壁を含み、上記第1のドーピング領域は上記複数の非縦方向の半導体部分側壁をベースとして選択的に成長させられ、上記湾曲した、または凹状の第2のアンダーカットは、別の複数の非縦方向の半導体部分側壁を含み、第3のドーピング領域は上記別の複数の非縦方向の半導体部分側壁をベースとして選択的に成長させられる。 According to one aspect of the present invention, the first curved or concave undercut includes a plurality of non-vertical semiconductor portion sidewalls, the first doping region is selectively grown based on the plurality of non-vertical semiconductor portion sidewalls, and the second curved or concave undercut includes another plurality of non-vertical semiconductor portion sidewalls, and the third doping region is selectively grown based on the another plurality of non-vertical semiconductor portion sidewalls.

本発明の一態様によれば、上記第1のドーピング領域のドーピング濃度は、上記第3のドーピング領域の濃度と異なる。 According to one aspect of the present invention, the doping concentration of the first doping region is different from the doping concentration of the third doping region.

本発明の一態様によれば、上記第2のドーピング領域のドーピング濃度は、前記第4のドーピング領域の上記濃度と同じであるか、または実質的に同じである。 According to one aspect of the present invention, the doping concentration of the second doping region is the same as or substantially the same as the doping concentration of the fourth doping region.

本開示の上記および他の態様は、好ましいが、限定でない(複数の)実施形態の以下の詳細な説明に関して、よりよく理解されるであろう。以下の説明は添付図面を参照して行われる。 These and other aspects of the present disclosure will be better understood with respect to the following detailed description of the preferred, but non-limiting, embodiment(s), the following description being made with reference to the accompanying drawings.

従来技術によるDRAMチップの回路図を示す図である。FIG. 1 shows a circuit diagram of a DRAM chip according to the prior art. 従来のCMOS構造を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing a conventional CMOS structure. 従来技術による、MOSFETのゲートツーソース間/ドレイン領域内に形成される寄生メタルゲートダイオード、およびMOSFET内のGIDL問題を示す図である。FIG. 1 illustrates a parasitic metal gate diode formed in the gate-to-source/drain region of a MOSFET and the GIDL problem in the MOSFET, according to the prior art. パッド窒化物層が堆積させられ、およびNMOSおよびPMOSトランジスタの活性領域を画定するようにSTIが半導体基板内に形成された後の処理構造を示す上面図である。FIG. 2 is a top view of the processed structure after a pad nitride layer has been deposited and STI has been formed in the semiconductor substrate to define active areas for the NMOS and PMOS transistors. 図2Aに示されたような切断線(X軸)に沿って得られる断面図である。FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the section line (X-axis) as shown in FIG. 2A. ゲート長が画定された後の処理構造を示す上面図である。FIG. 13 is a top view of the processed structure after the gate length has been defined. 図3Aに示されたような切断線(X軸)に沿って得られる断面図である。FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the section line (X-axis) as shown in FIG. 3A. チャネル領域を形成するためのシャロートレンチが形成された後の処理構造を示す上面図である。FIG. 13 is a top view of the processed structure after shallow trenches are formed to form channel regions. 図3-1Aに示されたような切断線(X軸)に沿って得られる断面図である。3-1B is a cross-sectional view taken along the cutting line (X-axis) as shown in FIG. 3-1A. チャネル領域が選択的に形成された後の処理構造を示す上面図である。FIG. 2 is a top view of the processed structure after a channel region has been selectively formed. 図3-2Aに示されたような切断線(X軸)に沿って得られる断面図である。3-2B is a cross-sectional view taken along the cutting line (X-axis) as shown in FIG. 3-2A. チャネル領域を形成するための、丸みを帯びた形状を備えたシャロートレンチが形成された後の処理構造を示す上面図である。FIG. 13 is a top view of the processed structure after shallow trenches with rounded features have been formed to form channel regions. 切断線(X軸)に沿って得られる断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the cutting line (X-axis). 丸みを帯びた形状を備えたシャロートレンチ内にチャネル領域が選択的に形成された後の処理構造を示す上面図である。FIG. 13 is a top view of the processed structure after selective formation of channel regions in shallow trenches with rounded features. 図3-4Aに示されたような切断線(X軸)に沿って得られる断面図である。3-4B is a cross-sectional view taken along the section line (X-axis) as shown in FIG. 3-4A. ゲート導電領域が形成された後の処理構造を示す上面図である。FIG. 2 is a top view of the processed structure after a gate conductive region is formed. 図4Aに示されたような切断線(X軸)に沿って得られる断面図である。FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the section line (X-axis) as shown in FIG. 4A. ゲートキャップ領域が形成された後の処理構造を示す上面図である。FIG. 13 is a top view of the processed structure after the gate cap region is formed. 図5Aに示されたような切断線(X軸)に沿って得られる断面図である。FIG. 5B is a cross-sectional view taken along the section line (X-axis) as shown in FIG. 5A. ゲート領域外側のパッド窒化物およびパッド酸化物が除去された後の処理構造を示す上面図である。FIG. 13 is a top view of the processed structure after the pad nitride and pad oxide outside the gate region have been removed. 図6Aに示されたような切断線(X軸)に沿って得られる断面図である。FIG. 6B is a cross-sectional view taken along the section line (X-axis) as shown in FIG. 6A. ゲート領域の側壁の上のスペーサが形成された後の処理構造を示す上面図である。FIG. 13 is a top view of the processed structure after spacers on the sidewalls of the gate region are formed. 図7Aに示されたような切断線(X軸)に沿って得られる断面図である。FIG. 7B is a cross-sectional view taken along the section line (X-axis) as shown in FIG. 7A. ゲート領域外側の凹部が形成された後の処理構造を示す上面図である。FIG. 13 is a top view of the processed structure after a recess outside the gate region is formed. 図8Aに示されたような切断線(X軸)に沿って得られる断面図である。FIG. 8B is a cross-sectional view taken along the section line (X-axis) as shown in FIG. 8A. 凹部内の局所分離層が形成された後の処理構造を示す上面図である。FIG. 13 is a top view of the processed structure after a local isolation layer is formed in the recess. 図9Aに示されたような切断線(X軸)に沿って得られる断面図である。FIG. 9B is a cross-sectional view taken along the section line (X-axis) as shown in FIG. 9A. 凹部内の局所分離層の一部分が除去されて縦方向の半導体側壁を露呈させた後の処理構造を示す上面図である。13 is a top view of the processed structure after a portion of the localized isolation layer within the recess has been removed to expose vertical semiconductor sidewalls. FIG. 図10Aに示されたような切断線(X軸)に沿って得られる断面図である。FIG. 10B is a cross-sectional view taken along the section line (X-axis) as shown in FIG. 10A. 複数のシグマ(Σ)形状のアンダーカットを画定するように、縦方向の半導体側壁がエッチングされた後の処理構造を示す上面図である。FIG. 13 is a top view of the processed structure after the vertical semiconductor sidewalls have been etched to define multiple sigma (Σ) shaped undercuts. 図11Aに示されたような切断線(X軸)に沿って得られる断面図である。FIG. 11B is a cross-sectional view taken along the section line (X-axis) as shown in FIG. 本開示の別の実施形態による、複数の湾曲形状または凹状の開口部、たとえば複数のシグマ(Σ)形状のアンダーカットを画定するように、縦方向の半導体側壁がエッチングされた後の処理構造を示す断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating the processed structure after the vertical semiconductor sidewalls are etched to define a plurality of curved or concave shaped openings, e.g., a plurality of sigma (Σ) shaped undercuts, in accordance with another embodiment of the present disclosure. 複数の湾曲形状または凹状の開口部、たとえば複数のシグマ(Σ)形状のアンダーカット内の、露呈させられたシリコン側壁から側方に半導体領域が伸びた後の処理構造を示す上面図である。13A is a top view of the processed structure after semiconductor regions have been extended laterally from exposed silicon sidewalls within multiple curved or concave openings, e.g., multiple sigma (Σ) shaped undercuts. 図12Aに示されたような切断線(X軸)に沿って得られる断面図である。FIG. 12B is a cross-sectional view taken along the section line (X-axis) as shown in FIG. 12A. 図11B-1に示されたような、複数の湾曲形状または凹状の開口部、たとえば複数のシグマ(Σ)形状のアンダーカット内の、露呈させられたシリコン側壁から側方に半導体領域が伸びた後の処理構造を示す断面図である。FIG. 11B-1 is a cross-sectional view showing the processed structure after semiconductor regions have been extended laterally from exposed silicon sidewalls in multiple curved or concave openings, e.g., multiple sigma (Σ) shaped undercuts, as shown in FIG. 本開示の別の実施形態による、複数の凹部内の、露呈させられたシリコン側壁から側方に半導体領域が伸びた後の処理構造を示す断面図である。4 is a cross-sectional view illustrating a processed structure after semiconductor regions have been extended laterally from exposed silicon sidewalls within the multiple recesses in accordance with another embodiment of the present disclosure. 本開示のなお別の実施形態による、複数の凹部内の、露呈させられたシリコン側壁から側方に半導体領域が伸びた後の処理構造を示す断面図である。13A-13C are cross-sectional views illustrating the processed structure after semiconductor regions have been extended laterally from exposed silicon sidewalls within the multiple recesses in accordance with yet another embodiment of the present disclosure. 本発明の一実施形態による新たなCMOS構造の上面図である。FIG. 2 is a top view of a new CMOS structure according to one embodiment of the present invention. 図13A中の切断線(Y軸)に沿った、新たなCMOS構造の断面を示す図である。FIG. 13B shows a cross-section of the new CMOS structure along the cut line (Y-axis) in FIG. 13A. 絶縁体により、完全に分離されている訳でないn+およびp+領域を備えた従来のCMOS構造を示す図である。FIG. 1 shows a conventional CMOS structure with n+ and p+ regions that are not completely separated by an insulator. NMOSトランジスタおよびPMOSトランジスタを備えた新たなCMOS構造の上面図である。FIG. 1 is a top view of a new CMOS structure with NMOS and PMOS transistors. 図15A中の水平方向の破線切断線に沿った、新たなCMOS構造の断面を示す図である。FIG. 15B shows a cross-section of the new CMOS structure along the horizontal dashed cut line in FIG. 15A. 従来のCMOS構造のn+/p接合からp-ウェル/n-ウェルを通ってn/p+接合構造までの考えられるラッチアップパスを示す図である。FIG. 2 illustrates a possible latch-up path from an n+/p junction through a p-well/n-well to an n/p+ junction structure in a conventional CMOS structure.

本開示には、トランジスタ構造およびその処理方法を記載している。本開示の上記および他の態様は、好ましいが限定でない(複数の)実施形態の以下の詳細な説明により、よりよく理解されることになるであろう。以下の説明は、添付図面を参照しながら行われる。 This disclosure describes transistor structures and methods of processing thereof. These and other aspects of the disclosure will be better understood with reference to the following detailed description of the preferred but non-limiting embodiment(s). The following description is made with reference to the accompanying drawings.

本開示のいくつかの実施形態は、添付図面を参照しながら以下に開示されている。しかし、上記実施形態に開示された構造および内容は例示的な、および説明的な目的のために過ぎず、および本開示の保護の範囲は上記実施形態に限定されるものでない。なお、本開示は考えられる実施形態すべてを示すものでなく、および本開示の技術分野における熟練者であれば、本開示の趣旨を逸脱することなく、実際の必要性を満たすために、以下に開示された本明細書に基づいて好適な修正または変更を行うことができるであろう。本開示は、本明細書に開示されていない他の実現形態にも適用可能である。 Some embodiments of the present disclosure are disclosed below with reference to the accompanying drawings. However, the structures and contents disclosed in the above embodiments are for illustrative and descriptive purposes only, and the scope of protection of the present disclosure is not limited to the above embodiments. It should be noted that the present disclosure does not show all possible embodiments, and a person skilled in the art of the present disclosure would be able to make suitable modifications or changes based on the present specification disclosed below to meet actual needs without departing from the spirit of the present disclosure. The present disclosure is also applicable to other implementations not disclosed in the present specification.

本発明は、特に、DRAMチップの周辺回路内で、およびDRAMチップのアレイコア回路のセンスアンプ内で使用されるトランジスタおよびCMOSFET構造を開示している。提案されたNMOSおよびPMOSトランジスタの製造方法は以下のように例示的に示される。
工程10: 開始する。
工程20: 半導体基板に基づいて、NMOSおよびPMOSトランジスタの活性領域を画定し、および、深いシャロートレンチアイソレーション(STI)構造を形成する。
工程30: 半導体基板の初期半導体表面の上にゲート構造を形成する。
工程40: ゲート構造を覆うスペーサを形成し、半導体基板内に凹部を形成する。
工程50: 複数の局所的絶縁層を凹部内に形成する。
工程60: 凹部内のシリコンの側壁を露出させ、凹部内の露出するシリコン側壁から横方向に半導体領域を成長させてNMOSおよびPMOSトランジスタのソース領域およびドレイン領域を形成する。
The present invention discloses, inter alia, transistor and CMOSFET structures for use in the peripheral circuits of a DRAM chip and in the sense amplifiers of the array core circuits of a DRAM chip.The fabrication methods of the proposed NMOS and PMOS transistors are illustratively shown as follows.
Step 10: Start.
Step 20: Based on the semiconductor substrate, define the active areas of the NMOS and PMOS transistors and form deep shallow trench isolation (STI) structures.
Step 30: Form a gate structure on the initial semiconductor surface of the semiconductor substrate.
Step 40: Form spacers over the gate structure and form recesses in the semiconductor substrate.
Step 50: Form a plurality of localized insulating layers within the recess.
Step 60: Expose the silicon sidewalls in the recess and grow semiconductor regions laterally from the exposed silicon sidewalls in the recess to form source and drain regions for the NMOS and PMOS transistors.

図2Aおよび図2Bを参照されたく、工程20は以下を含み得る。
工程202: パッド酸化物層22が形成され、およびパッド窒化物層23が堆積させられる。
工程204: パターン化されたフォトレジスタンス(PR)を使用してプレーナNMOSおよびプレーナPMOSトランジスタの活性領域を画定し、ならびに、それらの活性領域パターン外側の半導体基板内のシリコン材料の一部を除去して、一時的なトレンチを作り出す。
工程206: 作り出された一時的なトレンチ内に酸化物層を堆積させ、次いで、酸化物層をエッチバックし、および平坦化して、シャロートレンチアイソレーション(STI)21を形成し、図2A中のx軸切断線に沿った断面図である図2Bに示されるように、STI21の上面が、パッド窒化物層23の上面と揃えられる。
Referring to FIGS. 2A and 2B, step 20 may include:
Step 202: A pad oxide layer 22 is formed and a pad nitride layer 23 is deposited.
Step 204: A patterned photoresist (PR) is used to define the active areas of the planar NMOS and planar PMOS transistors, and to remove some of the silicon material in the semiconductor substrate outside the active area patterns to create temporary trenches.
Step 206: An oxide layer is deposited in the created temporary trenches, then the oxide layer is etched back and planarized to form shallow trench isolation (STI) 21, with a top surface of the STI 21 aligned with a top surface of pad nitride layer 23, as shown in FIG. 2B, which is a cross-sectional view taken along the x-axis cut line in FIG. 2A.

図3~5を参照されたく、ゲート構造を形成する工程30は以下を含み得る。
工程302: 図3A、および図3A中のx軸切断線に沿った断面図である図3Bに示されるように、パターン化された別のフォトレジスタンス(PR)31を使用してNMOSおよびPMOSトランジスタのゲート領域のゲート長(Lgate)を画定し、次いで、PRにより覆われていないパッド酸化物層302およびパッド窒化物層304の部分が除去されて、ゲート収容トレンチ32を形成する。
工程304: 図4A、および図4A中のx軸切断線に沿った断面図である図4Bに示されるように、その後、ゲート収容トレンチ32内に、(熱酸化物または高誘電率(Hi-K)材料などの)ゲート誘電体層331、高濃度にドーピングされたポリシリコン(MOS用N+ポリシリコンおよびMOS用P+ポリシリコン)を含み得るゲート導電層332、Ti/TiN層333、ならびにタングステン層334を形成する。
工程306: 図5A、および図5A中のx軸切断線に沿った断面図である図5Bに示されるように、タングステン層334の上に窒化物キャップ層335および酸化物キャップ336を形成して、NMOSおよびPMOSトランジスタのゲート領域またはゲート構造を完成させる。
Referring to FIGS. 3-5, the step 30 of forming a gate structure may include:
Step 302: As shown in FIG. 3A and FIG. 3B, which is a cross-sectional view along the x-axis cut line in FIG. 3A, another patterned photoresist (PR) 31 is used to define the gate length (Lgate) of the gate regions of the NMOS and PMOS transistors, and then the portions of the pad oxide layer 302 and pad nitride layer 304 not covered by PR are removed to form gate-accommodating trenches 32.
Step 304: As shown in FIG. 4A and FIG. 4B, which is a cross-sectional view taken along the x-axis cut line in FIG. 4A, thereafter, within the gate-accommodating trench 32, a gate dielectric layer 331 (such as a thermal oxide or a high dielectric constant (Hi-K) material), a gate conductive layer 332, which may include heavily doped polysilicon (N+ polysilicon for MOS and P+ polysilicon for MOS), a Ti/TiN layer 333, and a tungsten layer 334 are formed.
Step 306: As shown in FIG. 5A and FIG. 5B, which is a cross-sectional view taken along the x-axis section line in FIG. 5A, a nitride cap layer 335 and an oxide cap 336 are formed over the tungsten layer 334 to complete the gate regions or gate structures of the NMOS and PMOS transistors.

次いで、図6~8を参照されたく、工程40は以下を含み得る。
工程402: 図6A、および図6A中のx軸切断線に沿った断面図である図6Bに示されるように、STI層21と上記ゲート領域との間のパッド酸化物層22およびパッド窒化物層23を除去して、半導体基板のOSSを露わにする。
工程404: 図7A、および図7A中のx軸切断線に沿った断面図である図7Bに示されるように、上記ゲート領域の両側にスペーサ層を形成し、スペーサ層は、半導体基板のOSS上で熱成長させられた薄い酸化物サブ層343、薄い酸化物サブ層343の上にある薄い窒化物サブ層341および薄い酸化物サブ層342を含み得る。
工程406: 図8A、および図8A中のx軸切断線に沿った断面図である図8Bに示されるように、半導体基板の一部分をエッチングして、半導体基板内に複数の凹部311~314を形成する。各凹部311~314は、半導体基板がシリコン基板である場合に、工程404中のスペーサ層の直下の(110)配向を備えた、露出する縦方向の側面36を含んでいる。
Next, referring to FIGS. 6-8, step 40 may include:
Step 402: As shown in FIG. 6A and FIG. 6B, which is a cross-sectional view taken along the x-axis section line in FIG. 6A, the pad oxide layer 22 and the pad nitride layer 23 between the STI layer 21 and the gate region are removed to expose the OSS of the semiconductor substrate.
Step 404: As shown in FIG. 7A and FIG. 7B, which is a cross-sectional view taken along the x-axis section line in FIG. 7A, form spacer layers on either side of the gate region, which may include a thin oxide sub-layer 343 thermally grown on the OSS of the semiconductor substrate, a thin nitride sub-layer 341 on the thin oxide sub-layer 343, and a thin oxide sub-layer 342.
Step 406: As shown in Figure 8A and Figure 8B, which is a cross-sectional view taken along the x-axis cut line in Figure 8A, a portion of the semiconductor substrate is etched to form a plurality of recesses 311-314 in the semiconductor substrate, each recess 311-314 including an exposed vertical side 36 with a (110) orientation directly beneath the spacer layer in step 404 when the semiconductor substrate is a silicon substrate.

図9Aおよび図9Bを参照されたく、工程50は以下を含み得る。工程406中の、前述の凹部311~314の側壁を覆う縦方向の酸化物-3V層411と、前述の凹部311~314の底部を覆う水平方向の酸化物-3B層412とを含む酸化物-3層41を熱成長させることを含み得る。その後、図9A、および図9A中のx軸切断線に沿った断面図である図9Bに示されるように、前述の凹部311~314を完全に埋めるのに十分な厚さで窒化物-3材料を堆積させ、次いで、エッチバックプロセスを使用して窒化物-3材料の不必要な部分を除去して、前述の凹部311~314内側に、好適な窒化物-3層42のみを残す。なお、窒化物-3層42は、任意の好適な絶縁材料により、置き換えられ得る。 9A and 9B, step 50 may include: In step 406, thermally growing an oxide-3 layer 41 including a vertical oxide-3V layer 411 covering the sidewalls of said recesses 311-314 and a horizontal oxide-3B layer 412 covering the bottoms of said recesses 311-314. Thereafter, as shown in FIG. 9A and FIG. 9B, which is a cross-sectional view taken along the x-axis cut line in FIG. 9A, a nitride-3 material is deposited to a thickness sufficient to completely fill said recesses 311-314, and then an etch-back process is used to remove unnecessary portions of the nitride-3 material to leave only a suitable nitride-3 layer 42 inside said recesses 311-314. Note that the nitride-3 layer 42 may be replaced by any suitable insulating material.

なお、図9Bおよび後続の図中に描かれた酸化物-3V層411および酸化物-3B層412の厚さは例証目的のみで示されているが、酸化物-3V層411の厚さが、正確に制御された熱酸化温度、タイミングおよび成長速度いずれもの下で非常に正確に制御されるようにこの熱成長させられる酸化物-3層41を設計することが、非常に重要である。明確に画定されたシリコン表面上の熱酸化により、酸化物-3V層411の厚さの40%が、前述の露出する(110)縦方向側面36からシリコン基板の一部分を取り去り、および、酸化物-3V層411の厚さの残りの60%が、前述の露出する(110)縦方向側面36外側の追加とみなされる(そうした、酸化物-3V層411の40%および60%の分布は、図9B中に特に明確に描かれている)ことになるはずである。酸化物-3V層411の厚さは熱酸化プロセスに基づいて非常に正確に制御されるので、酸化物-3V層411のエッジは、ゲート領域のエッジと揃えられ得る。当然、エッチング条件、および熱酸化物の成長の条件に応じて、別の実施形態では、(5~10%未満などの)酸化物-3V層411の一部はゲート構造の下にあり得る。 9B and subsequent figures are shown for illustrative purposes only, it is very important to design this thermally grown oxide-3 layer 41 so that the thickness of the oxide-3V layer 411 is very precisely controlled under precisely controlled thermal oxidation temperature, timing and growth rate. Thermal oxidation on a well-defined silicon surface should result in 40% of the oxide-3V layer 411 thickness removing a portion of the silicon substrate from the exposed (110) vertical side 36, and the remaining 60% of the oxide-3V layer 411 thickness being considered as an addition outside the exposed (110) vertical side 36 (such a distribution of 40% and 60% of the oxide-3V layer 411 is particularly clearly depicted in FIG. 9B). Because the thickness of the oxide-3V layer 411 is very precisely controlled based on the thermal oxidation process, the edge of the oxide-3V layer 411 can be aligned with the edge of the gate region. Of course, depending on the etching conditions and the conditions of the thermal oxide growth, in other embodiments, a portion of the oxide-3V layer 411 (e.g., less than 5-10%) may underlie the gate structure.

図10Aおよび図10Bを参照されたく、工程60は以下を含み得る。
工程602: 図10Aおよび図10Bに示されるように、窒化物-3層42の上にある、酸化物-3V層411の一部分が除去されて、凹部311および312内で縦方向の半導体側壁501および502を露出させ、この場合もまた、それらの縦方向の半導体側壁501および502は、半導体基板がシリコン基板である場合、(110)結晶配向を有している。残りの酸化物-3層41および窒化物-3層42は、シリコン基板内への局所的アイソレーション(「LISS」)という名で呼ばれ得る。
工程604: (110)結晶配向を有する、縦方向の半導体側壁501および502はエッチングされ、チャネル領域の一部分を除去し、側壁の縦方向に沿って、または、NMOSおよびPMOSトランジスタのゲート領域の下に、湾曲形状または凹状の開口部(複数の円弧形状の開口部、または複数のシグマ(Σ)形状のアンダーカット512および513などの)を画定し、たとえば、図11Aおよび図11Bに示されるように、シグマ(Σ)形状のアンダーカット512および513のそれぞれは、対応する凹部311および312とそれぞれ連通し、複数の非縦方向の半導体部分側壁を含んでいる。
工程606: 第1の半導体領域430を、シグマ(Σ)形状のアンダーカット513および514の露出された非縦方向の半導体側壁501および502それぞれから横方向に成長させる。第1の半導体領域430それぞれは、対応するシグマ(Σ)形状のアンダーカット513または514を少なくとも埋め、低濃度にドーピングされた領域(または低濃度にドーピングされたドレイン、「LDD」)を含み、または、ドーピングされていない領域および低濃度にドーピングされた領域を含み得る。第1の半導体領域430は、選択エピタキシャル成長(SEG)手法または原子層堆積(ALD)法などの、選択的に成長させられる方法により、形成され得る。
工程608: 第2の半導体領域を、それらの第1の半導体領域430から成長させる。第2の半導体領域それぞれは、選択的に成長させられる方法によっても形成され得る、高濃度にドーピングされた領域を含む。よって、NMOSトランジスタのドレイン領域は、N-LDD領域、およびN+ドーピングされた領域431を含んでおり、NMOSトランジスタのソース領域は、別のN-LDD領域、およびN+ドーピングされた領域432を含んでいる。同様に、PMOSトランジスタのドレイン領域は、P-LDD領域、およびP+ドーピングされた領域441を含んでおり、PMOSトランジスタのソース領域は、別のP-LDD領域、およびP+ドーピングされた領域442を含んでいる。なお、P+ドーピングされた領域441(442)またはN+ドーピングされた領域431(432)の上面は平坦もしくは平面状、または、半導体基板のOSSに略平行であり得る。
Referring to FIGS. 10A and 10B, step 60 may include:
Step 602: As shown in Figures 10A and 10B, a portion of the oxide-3V layer 411 overlying the nitride-3 layer 42 is removed to expose vertical semiconductor sidewalls 501 and 502 in the recesses 311 and 312, which again have a (110) crystal orientation when the semiconductor substrate is a silicon substrate. The remaining oxide-3 layer 41 and nitride-3 layer 42 may be referred to as local isolation in silicon substrate ("LISS").
Step 604: The vertical semiconductor sidewalls 501 and 502 having a (110) crystal orientation are etched to remove a portion of the channel region and define curved or concave openings (such as a plurality of arc-shaped openings, or a plurality of sigma (Σ)-shaped undercuts 512 and 513) along the vertical direction of the sidewalls or under the gate regions of the NMOS and PMOS transistors, e.g., as shown in Figures 11A and 11B, each of the sigma (Σ)-shaped undercuts 512 and 513 communicates with a corresponding recess 311 and 312, respectively, and includes a plurality of non-vertical semiconductor portion sidewalls.
Step 606: Laterally growing first semiconductor regions 430 from the exposed non-vertical semiconductor sidewalls 501 and 502, respectively, of the sigma (Σ) shaped undercuts 513 and 514. Each first semiconductor region 430 at least fills the corresponding sigma (Σ) shaped undercut 513 or 514 and may include a lightly doped region (or lightly doped drain, "LDD"), or may include undoped and lightly doped regions. The first semiconductor regions 430 may be formed by a selectively grown method, such as a selective epitaxial growth (SEG) technique or an atomic layer deposition (ALD) method.
Step 608: Second semiconductor regions are grown from the first semiconductor regions 430. Each of the second semiconductor regions includes a heavily doped region, which may also be formed by a selectively grown method. Thus, the drain region of the NMOS transistor includes an N-LDD region and an N+ doped region 431, and the source region of the NMOS transistor includes another N-LDD region and an N+ doped region 432. Similarly, the drain region of the PMOS transistor includes a P-LDD region and a P+ doped region 441, and the source region of the PMOS transistor includes another P-LDD region and a P+ doped region 442. Note that the top surface of the P+ doped region 441 (442) or the N+ doped region 431 (432) may be flat or planar or substantially parallel to the OSS of the semiconductor substrate.

なお、一実施形態では、SEG手法またはALD法により、形成された、N-LDD領域およびP-LDD領域(たとえば、第1の半導体領域430)それぞれは、図12Bに示されるように、半導体基板のOSSと並んだ(実質的に並んだ)、その水平方向の境界を有している。よって、半導体基板のOSSと並んでいることで、NMOSトランジスタおよびPMOSトランジスタのソース/ドレイン領域の第2の半導体領域(たとえば、P+ドーピングされた領域441および442、またはN+ドーピングされた領域431および432)を成長させるための、より安定した(平面の)ベースをもたらし得る。 Note that in one embodiment, each of the N-LDD and P-LDD regions (e.g., first semiconductor region 430) formed by the SEG or ALD technique has its horizontal boundary aligned (substantially aligned) with the OSS of the semiconductor substrate, as shown in FIG. 12B. Thus, the alignment with the OSS of the semiconductor substrate may provide a more stable (planar) base for growing the second semiconductor regions (e.g., P+ doped regions 441 and 442, or N+ doped regions 431 and 432) of the source/drain regions of the NMOS and PMOS transistors.

本開示のいくつかの実施形態では、第1の半導体領域430および第2の半導体領域(たとえば、P+ドーピングされた領域441および442、またはN+ドーピングされた領域431および432)は、選択エピタキシャルシリコン(Si)、またはシリコン/ゲルマニウム(SiGe)により、形成され得る。SiGeの場合、それは、ソース/ドレイン領域に圧縮ひずみを与えて、NMOSトランジスタおよびPMOSトランジスタのイオンを10~20%改善し得る。 In some embodiments of the present disclosure, the first semiconductor region 430 and the second semiconductor region (e.g., P+ doped regions 441 and 442, or N+ doped regions 431 and 432) may be formed of selective epitaxial silicon (Si) or silicon/germanium (SiGe). In the case of SiGe, it may provide compressive strain to the source/drain regions to improve ion of NMOS and PMOS transistors by 10-20%.

さらに、トランジスタの形成中には、イオン注入および熱アニーリングは必要でない。LDD領域またはソース/ドレイン領域を形成するためにイオン注入を使用する必要はなく、熱アニーリングプロセスを使用して欠陥を低減させる必要はない。したがって、誘起され、アニーリングプロセスによっても完全に除去することが困難な余分な欠陥は一度も引き起こされないので、予期せぬリーク電流源は大幅に、最小にされるはずである。 Furthermore, ion implantation and thermal annealing are not required during the formation of the transistor. There is no need to use ion implantation to form the LDD regions or source/drain regions, and no need to use a thermal annealing process to reduce defects. Therefore, the unexpected leakage current source should be greatly minimized, since no extra defects are ever induced that are difficult to completely remove even by the annealing process.

いくつかの実施形態では、NMOSおよびPMOSトランジスタのソース/ドレイン領域は、NMOSトランジスタのソース/ドレイン領域のN+ドーピングされた領域431および432、およびPMOSトランジスタのソース/ドレインのP+ドーピングされた領域441および442の上に形成された金属領域351をさらに含んでいる。本実施形態では、図12C-1に示されるように、NMOSトランジスタのソース/ドレイン領域のN+ドーピングされた領域431および432、および、PMOSトランジスタ内のソース/ドレインのP+ドーピングされた領域441および442は、凹部311~314を完全に埋めておらず、金属領域351は、N+ドーピングされた領域431および432、およびP+ドーピングされた領域441および442上に形成されて、それぞれ、凹部311~314を完全に埋め、N+ドーピングされた領域431および432、およびP+ドーピングされた領域441および442の複数の側壁を取り囲む。 In some embodiments, the source/drain regions of the NMOS and PMOS transistors further include a metal region 351 formed on the N+ doped regions 431 and 432 of the source/drain regions of the NMOS transistor and the P+ doped regions 441 and 442 of the source/drain regions of the PMOS transistor. In this embodiment, as shown in FIG. 12C-1, the N+ doped regions 431 and 432 of the source/drain regions of the NMOS transistor and the P+ doped regions 441 and 442 of the source/drain regions in the PMOS transistor do not completely fill the recesses 311-314, and the metal region 351 is formed on the N+ doped regions 431 and 432 and the P+ doped regions 441 and 442 to completely fill the recesses 311-314 and surround the sidewalls of the N+ doped regions 431 and 432 and the P+ doped regions 441 and 442, respectively.

さらに、本開示のいくつかの他の実施形態では、(酸化物-3層41および窒化物-3層42を含む)LISSは、省略され得る。たとえば、NMOSおよびPMOSトランジスタのゲート領域の下の複数のシグマ(Σ)形状のアンダーカット513’および514’は、(図11B-1に示されるように、)凹部311~314の露出した底面および縦方向側面36を直接エッチングすることにより、形成され得る。 Furthermore, in some other embodiments of the present disclosure, the LISS (including the oxide-3 layer 41 and the nitride-3 layer 42) may be omitted. For example, multiple sigma (Σ) shaped undercuts 513' and 514' under the gate regions of the NMOS and PMOS transistors may be formed by directly etching the exposed bottom and vertical side surfaces 36 of the recesses 311-314 (as shown in FIG. 11B-1).

次いで、上記第1の半導体領域および第2の半導体領域は選択的に成長され得る。たとえば、NMOSトランジスタのドレイン/ソース領域のN-LDD領域430’およびPMOSトランジスタのドレイン/ソース領域のP-LDD領域(図示せず)は、複数のシグマ(Σ)形状のアンダーカット(たとえば、NMOSトランジスタのシグマ(Σ)形状のアンダーカット513’および514’)の複数の非縦方向の半導体部分側壁をベースとして選択的に成長させられる手法により、形成され得る。ドレイン領域のN+ドーピングされた領域431’およびソース領域のN+ドーピングされた領域432’は次いで、(図12B-1に示されるように)NMOSトランジスタのドレイン/ソース領域のN-LDD領域430’をベースとして選択的に成長させられる方法により、形成され得る。PMOSトランジスタのドレイン/ソース領域のP-LDD領域(図示せず)およびP+ドーピングされた領域(図示せず)は、同様の方法により、形成され得る。 Then, the first and second semiconductor regions can be selectively grown. For example, the N-LDD region 430' of the drain/source region of the NMOS transistor and the P-LDD region (not shown) of the drain/source region of the PMOS transistor can be formed by a method in which the non-vertical semiconductor portion sidewalls of the sigma (Σ) shaped undercuts (e.g., the sigma (Σ) shaped undercuts 513' and 514' of the NMOS transistor) are selectively grown as a base. The N+ doped region 431' of the drain region and the N+ doped region 432' of the source region can then be formed by a method in which the N-LDD region 430' of the drain/source region of the NMOS transistor is selectively grown as a base (as shown in FIG. 12B-1). The P-LDD region (not shown) and the P+ doped region (not shown) of the drain/source region of the PMOS transistor can be formed by a similar method.

一方、図12Bの例では、本発明によるトランジスタのソースおよびドレイン領域それぞれは、底部構造上の絶縁材料(窒化物-3層42、および残りの酸化物-3層41)により分離されており、3つの側壁に沿ってSTI層21により分離されており、接合リークの可能性は、第1の半導体領域430における、(トランジスタのゲート領域直下の)チャネル領域への非常に小さな領域にのみ生じ、よって大幅に低減されることがある。 In contrast, in the example of FIG. 12B, where the source and drain regions of a transistor according to the present invention are each separated by insulating material on the bottom structure (nitride-3 layer 42, and remaining oxide-3 layer 41) and separated along three sidewalls by STI layer 21, the possibility of junction leakage occurs only in a very small area in the first semiconductor region 430 to the channel region (directly below the gate region of the transistor), and may therefore be significantly reduced.

別の実施形態では、チャネル領域は、ゲート構造の形成前に(イオン注入などにより)、半導体基板の初期シリコン表面(OSS)の下に、および近くに形成され得る。しかし、イオン注入により形成されるチャネル領域に加えて、本発明によるチャネル領域は選択成長により形成されてもよい。たとえば、図4B中のゲート誘電体層331を形成する前に、図3-1Aおよび図3-1Bに示されるように、露呈されているシリコン表面が、1.5nm~3nmの深さを有するシャロートレンチを形成するようにエッチングされてもよい。次いで、図3-2Aおよび図3-2Bに示されるように、チャネル領域24がシャロートレンチ内に、選択的に成長させられる。 In another embodiment, the channel region may be formed (such as by ion implantation) below and near the initial silicon surface (OSS) of the semiconductor substrate prior to the formation of the gate structure. However, in addition to channel regions formed by ion implantation, the channel region according to the present invention may be formed by selective growth. For example, prior to forming the gate dielectric layer 331 in FIG. 4B, the exposed silicon surface may be etched to form a shallow trench having a depth of 1.5 nm to 3 nm, as shown in FIGS. 3-1A and 3-1B. The channel region 24 is then selectively grown in the shallow trench, as shown in FIGS. 3-2A and 3-2B.

その後、図4/図4B~図12A/図12B中に示されるゲート領域、ソース領域、およびドレイン領域を形成するためのプロセスが同様に適用されて、図12Cに示される別のトランジスタ構造が形成され得る。 The processes for forming the gate, source, and drain regions shown in Figures 4/4B-12A/12B can then be similarly applied to form another transistor structure shown in Figure 12C.

なお別の実施形態では、図4B中のゲート誘電体層331を形成する前に、露呈されているシリコン表面は、図3-3Aおよび図3-3Bに示されるように、丸いまたは湾曲した形状を有するシャロートレンチを形成するようにエッチングされてもよい。次いで、半導体チャネル領域24は、図3-4Aおよび図3-4Bに示されるように、シャロートレンチの側壁に沿って選択的に成長させられる。半導体チャネル領域24が、湾曲した、または丸い形状であるシャロートレンチの側壁に沿って選択的に成長させられるので、本実施形態におけるチャネル長はより長くなり得る。その後、図4A/図4B~図12A/図12B中に示されるゲート領域、ソース領域、およびドレイン領域を形成するためのプロセスが同様に適用されて別のトランジスタが形成され得る。 In yet another embodiment, before forming the gate dielectric layer 331 in FIG. 4B, the exposed silicon surface may be etched to form a shallow trench having a rounded or curved shape, as shown in FIG. 3-3A and FIG. 3-3B. The semiconductor channel region 24 is then selectively grown along the sidewalls of the shallow trench, as shown in FIG. 3-4A and FIG. 3-4B. Because the semiconductor channel region 24 is selectively grown along the sidewalls of the shallow trench that are curved or rounded, the channel length in this embodiment may be longer. Thereafter, the processes for forming the gate, source, and drain regions shown in FIG. 4A/FIG. 4B to FIG. 12A/FIG. 12B may be similarly applied to form another transistor.

別の実施形態(たとえば、図12C-1)では、ソース(またはドレイン)領域は、選択的に成長させられたソース(またはドレイン)領域の高濃度にドーピングされた領域の上面および最側方側壁に接触している、TiN/タングステンまたは他の好適な金属材料などのメタルプラグをさらに備え得る。よって、ソース(またはドレイン)領域は複合ソース(またはドレイン)領域である。よって、外部の金属コンタクトは複合ソース(またはドレイン)領域の金属領域に接続され、そうした金属間コンタクトは、従来のシリコンと金属との間のコンタクトよりもはるかに低い抵抗を有する。 In another embodiment (e.g., FIG. 12C-1), the source (or drain) region may further comprise a metal plug, such as TiN/tungsten or other suitable metal material, contacting the top surface and lateral-most sidewall of the selectively grown highly doped region of the source (or drain) region. Thus, the source (or drain) region is a composite source (or drain) region. Thus, an external metal contact is connected to the metal region of the composite source (or drain) region, and such metal-to-metal contact has a much lower resistance than a conventional silicon-to-metal contact.

さらに、図13A~13Bに示されるように、図13Aは本発明の一実施形態による新たなCMOS構造の上面図であり、図13Bは、図13A中の切断線(Y軸)に沿った、新たなCMOS構造の断面を示す図である。図13A~13B中のPMOSおよびNMOSトランジスタは、縦方向に並んで位置している。図13Aでは、新たなCMOS構造の4つの側はSTI21により取り囲まれている。さらに、図13Bに示されるように、(酸化物-3層412および窒化物-3層42を含む)局所的複合アイソレーションがPMOSのP+ソース領域442(またはP+ドレイン領域441)とn型N-ウェルとの間に存在しており、(酸化物-3B層412および窒化物-3層42を含む)別の局所的複合アイソレーションもNMOSのN+ソース領域432(またはN+ドレイン領域431)とp型P-ウェルまたは基板との間に存在している。 Furthermore, as shown in Figs. 13A-13B, Fig. 13A is a top view of the new CMOS structure according to one embodiment of the present invention, and Fig. 13B is a cross-sectional view of the new CMOS structure along the cutting line (Y-axis) in Fig. 13A. The PMOS and NMOS transistors in Figs. 13A-13B are located vertically side by side. In Fig. 13A, the new CMOS structure is surrounded on four sides by STI 21. Furthermore, as shown in Fig. 13B, a local composite isolation (including oxide-3 layer 412 and nitride-3 layer 42) exists between the PMOS P+ source region 442 (or P+ drain region 441) and the n-type N-well, and another local composite isolation (including oxide-3B layer 412 and nitride-3 layer 42) also exists between the NMOS N+ source region 432 (or N+ drain region 431) and the p-type P-well or substrate.

すなわち、新たなCMOS構造のドレイン領域およびソース領域それぞれは、3つの側壁上のSTI21により、および、底壁上の、局所的複合アイソレーションにより、取り囲まれている。よって、PMOSのP+領域の底部からNMOSのN+領域の底部への、考えられるラッチアップパスが、局所的アイソレーションにより、完全にブロックされる。したがって、(プレーナ表面上で測定される)ラッチアップ距離Xp+Xnを、重大なラッチアップ問題を引き起こすことなく、できる限り小さくすることができる。他方で、従来のCMOS構造では、n+およびp+領域は、図1Bまたは図14に示されるように絶縁体により完全に分離されず、n+/p接合からp-ウェル/n-ウェル接合を通ってn/p+接合まで存在している、考えられるラッチアップパスは、長さa、長さb、および長さcを含んでいる。 That is, each of the drain and source regions of the new CMOS structure is surrounded by STI 21 on three sidewalls and by local composite isolation on the bottom wall. Thus, the possible latch-up path from the bottom of the PMOS P+ region to the bottom of the NMOS N+ region is completely blocked by the local isolation. Therefore, the latch-up distance Xp+Xn (measured on the planar surface) can be made as small as possible without causing serious latch-up problems. On the other hand, in the conventional CMOS structure, the n+ and p+ regions are not completely separated by an insulator as shown in FIG. 1B or FIG. 14, and the possible latch-up path that exists from the n+/p junction through the p-well/n-well junction to the n/p+ junction includes length a, length b, and length c.

さらに、本発明の別の実施形態による図15A~15Bを参照されたい。図15AはNMOSトランジスタおよびPMOSトランジスタを備えた新たなCMOS構造の上面図であり、図15Bは、図15A中の水平方向の破線の切断線に沿った新たなCMOS構造の断面を示す図である。図15A~15B中のPMOSおよびNMOSトランジスタは、横方向に並んで位置している。図15Bに示されるように、PMOSトランジスタとNMOSトランジスタとの間に交差形状のLISS70が存在していると単純化することができる。交差形状のLISS70は、縦方向に延在しているアイソレーション領域71(たとえば、STI21、図15Bに示されるように、半導体基板のOSSの下の縦方向の深さは、約150~300nm、たとえば200nmになる)、縦方向に延在しているアイソレーション領域71の右側にある、水平方向に延在している第1のアイソレーション領域72(縦方向の深さは、約50~120nm、たとえば100nmになる)、および縦方向に延在しているアイソレーション領域71の左側にある、水平方向に延在している第2のアイソレーション領域73(縦方向の深さは、約50~120nm、たとえば100nmになる)を含んでいる。水平方向に延在しているアイソレーション領域それぞれは、酸化物-3層41および窒化物-3層42を含み得る。PMOS/NMOSトランジスタのソース/ドレイン領域の縦方向の深さは約30~50nm、たとえば40nmである。PMOS/NMOSトランジスタのゲート領域の縦方向の深さは約40~60nm、たとえば、図15Bに示される50nmである。 Please refer to Figures 15A-15B according to another embodiment of the present invention. Figure 15A is a top view of a new CMOS structure with NMOS and PMOS transistors, and Figure 15B is a cross-sectional view of the new CMOS structure along the horizontal dashed cut line in Figure 15A. The PMOS and NMOS transistors in Figures 15A-15B are located side-by-side in the horizontal direction. As shown in Figure 15B, it can be simplified that there is a cross-shaped LISS 70 between the PMOS and NMOS transistors. The cross-shaped LISS 70 includes a vertically extending isolation region 71 (e.g., STI 21, the vertical depth of the semiconductor substrate below the OSS as shown in FIG. 15B may be about 150-300 nm, e.g., 200 nm), a horizontally extending first isolation region 72 (vertical depth may be about 50-120 nm, e.g., 100 nm) to the right of the vertically extending isolation region 71, and a horizontally extending second isolation region 73 (vertical depth may be about 50-120 nm, e.g., 100 nm) to the left of the vertically extending isolation region 71. Each of the horizontally extending isolation regions may include an oxide-3 layer 41 and a nitride-3 layer 42. The vertical depth of the source/drain regions of the PMOS/NMOS transistors is about 30-50 nm, e.g., 40 nm. The vertical depth of the gate region of the PMOS/NMOS transistor is about 40-60 nm, for example, 50 nm as shown in FIG. 15B.

本実施形態では、水平方向に延在している第1および第2のアイソレーション領域72/73は、トランジスタのゲート構造またはチャネルの直下にはない。水平方向に延在している第1のアイソレーション領域72(縦方向に延在しているアイソレーション領域71の右側)はPMOSトランジスタのソース/ドレイン領域の底部に接触しており、水平方向に延在している第2のアイソレーション領域73(縦方向に延在しているアイソレーション領域71の左側)はNMOSトランジスタのソース/ドレイン領域の底部に接触している。したがって、PMOSおよびNMOSトランジスタ内のソース/ドレイン領域の底部側は、半導体基板から遮蔽されている。さらに、水平方向に延在している第1または第2のアイソレーション領域72/73は、異なる2つ以上の絶縁材料(たとえば、酸化物-3層41および窒化物-3層42)を含む、または、同じ2つ以上の絶縁材料であるが別個のプロセスにより形成される絶縁材料を含む複合アイソレーションであり得る。 In this embodiment, the first and second horizontally extending isolation regions 72/73 are not directly under the gate structure or channel of the transistor. The first horizontally extending isolation region 72 (to the right of the vertically extending isolation region 71) contacts the bottom of the source/drain region of the PMOS transistor, and the second horizontally extending isolation region 73 (to the left of the vertically extending isolation region 71) contacts the bottom of the source/drain region of the NMOS transistor. Thus, the bottom side of the source/drain region in the PMOS and NMOS transistors is shielded from the semiconductor substrate. Furthermore, the first or second horizontally extending isolation region 72/73 may be a composite isolation that includes two or more different insulating materials (e.g., oxide-3 layer 41 and nitride-3 layer 42) or that includes the same two or more insulating materials but formed by separate processes.

本文および図1B中で前述されたように、純NMOS技術と対照的に、従来のCMOS構成/技術の欠点は、n+/p-サブ/n-ウェル/p+接合などの寄生バイポーラ構造が一度存在し、残念ながら、一部の劣悪な設計は、ノイズによる大電流サージに耐えることができず、ラッチアップを引き起こして、チップ動作全体の停止、または、チップ機能への恒久的な損傷をもたらすということである。従来のCMOSのレイアウトおよびプロセスルールは、ラッチアップ距離(図1B)と呼ばれる、PMOSのp+ソース/ドレイン領域からNMOSのn+ソース/ドレイン領域を隔てるための非常に大きなスペースを常に必要としており、これはラッチアップのいかなる可能性をも防ぐために多くのプレーナ表面を使い尽くす。さらに、ソース/ドレインn+/pおよびp+/n半導体接合領域が大きすぎる場合、順方向バイアス事故が一旦誘発されると、大きなサージ電流が誘起されてラッチアップを発生させる場合がある。 As mentioned above in the text and in FIG. 1B, the drawback of traditional CMOS configuration/technology in contrast to pure NMOS technology is that once there are parasitic bipolar structures such as n+/p-sub/n-well/p+ junctions, unfortunately, some poor designs cannot withstand large current surges due to noise and cause latch-up, resulting in total chip operation shutdown or permanent damage to chip function. Traditional CMOS layout and process rules always require a very large space to separate the n+ source/drain regions of NMOS from the p+ source/drain regions of PMOS, called the latch-up distance (FIG. 1B), which uses up a lot of planar surface to prevent any possibility of latch-up. Moreover, if the source/drain n+/p and p+/n semiconductor junction areas are too large, once a forward bias accident is induced, a large surge current may be induced to cause latch-up.

Figure 2024046756000002
Figure 2024046756000002

他方で、従来のCMOS構造では、n+/p接合からp-ウェル/n-ウェル接合を介してn/p+接合への、考えられるラッチアップパスは、(図16に示されるように)長さd、長さe、長さf、および長さgを含んでいるに過ぎない。図15Bのそうした考えられるラッチアップパスは図16中のものよりも長い。したがって、デバイスレイアウトの観点からは、本発明による、図15B中のNMOSおよびCMOS間の確保されたエッジ距離(Xn+Xp)は、図16中のものよりも小さい場合がある。さらに、図15Bでは、潜在的なラッチアップパスは、図16中のn+/p接合からn/p+接合へでなく、n/LDD-p接合へと、LDD-n/p接合から始まる。図15B中のLDD-nまたはLDD-p領域内のドーピング濃度は、図16のn+またはp+領域内のドーピング濃度よりも低いので、図15B中のLDD-nまたはLDD-p領域から放出される電子または正孔の量は、図16中のn+またはp+領域から放出されるものよりもはるかに低くなる。そうした、キャリアのより低い放出は、誘起されるラッチアップ現象の可能性を効果的に減少させるだけでなく、さらに、ラッチアップ現象が誘起された場合にも、電流を劇的に低減させる。n+/pおよびp+/n接合領域はいずれも、大幅に低減されるので、これらの接合の、ある急激な順方向バイアスさえ、異常電流の大きさを低減させることができ、図15Bにおいてラッチアップを形成する機会を減らし得る。 On the other hand, in a conventional CMOS structure, the possible latch-up path from the n+/p junction through the p-well/n-well junction to the n/p+ junction only includes length d, length e, length f, and length g (as shown in FIG. 16). Such possible latch-up path in FIG. 15B is longer than that in FIG. 16. Therefore, from the device layout point of view, the reserved edge distance (X n +X p ) between the NMOS and CMOS in FIG. 15B according to the present invention may be smaller than that in FIG. 16. Furthermore, in FIG. 15B, the potential latch-up path starts from the LDD-n/p junction to the n/LDD-p junction instead of from the n+/p junction to the n/p+ junction in FIG. 16. Since the doping concentration in the LDD-n or LDD-p region in Fig. 15B is lower than that in the n+ or p+ region in Fig. 16, the amount of electrons or holes emitted from the LDD-n or LDD-p region in Fig. 15B is much lower than that emitted from the n+ or p+ region in Fig. 16. Such lower emission of carriers not only effectively reduces the possibility of induced latch-up phenomenon, but also dramatically reduces the current even if the latch-up phenomenon is induced. Since both n+/p and p+/n junction areas are greatly reduced, even some sudden forward bias of these junctions can reduce the magnitude of abnormal current and reduce the chance of forming latch-up in Fig. 15B.

再び図15Bを参照すれば、本発明によれば、PMOSのソースまたはドレイン領域は、水平方向に延在している第1のアイソレーション領域72および縦方向に延在しているアイソレーション領域71により取り囲まれており、PMOSのソースまたはドレイン領域のLDD領域(縦方向の長さは、約10~50nmになる)のみが、半導体基板に接触して、p+/n接合でなく、LDD-p/n接合を形成する。同様に、NMOSのソースまたはドレイン領域は、水平方向に延在している第2のアイソレーション領域73および縦方向に延在しているアイソレーション領域71により、取り囲まれており、NMOSのソースまたはドレイン領域のLDD領域(縦方向の長さは、約40nmになる)のみが、基板に接触して、p+/n接合でなく、LDD-n/p接合を形成する。したがって、NMOSのn+領域およびPMOSのp+領域は基板またはウェル領域から遮蔽される。さらに、水平方向に延在している第1または第2のアイソレーション領域72/73は、複合アイソレーションであり、且つ十分厚いので、ソース(またはドレイン)領域とシリコン基板との間に誘起される寄生メタルゲートダイオードは最小にされ得る。隣接するNMOSおよびPMOSトランジスタに確保された平面ラッチアップ距離が、新たなCMOSの平面面積を大幅に低減させ得るように大幅に短縮されることが期待される。 15B again, according to the present invention, the source or drain region of the PMOS is surrounded by the first isolation region 72 extending horizontally and the isolation region 71 extending vertically, and only the LDD region of the source or drain region of the PMOS (having a vertical length of about 10 to 50 nm) contacts the semiconductor substrate to form an LDD-p/n junction, not a p+/n junction. Similarly, the source or drain region of the NMOS is surrounded by the second isolation region 73 extending horizontally and the isolation region 71 extending vertically, and only the LDD region of the source or drain region of the NMOS (having a vertical length of about 40 nm) contacts the substrate to form an LDD-n/p junction, not a p+/n junction. Thus, the n+ region of the NMOS and the p+ region of the PMOS are shielded from the substrate or well region. Furthermore, the first or second isolation region 72/73 extending in the horizontal direction is a composite isolation and is thick enough to minimize the parasitic metal gate diode induced between the source (or drain) region and the silicon substrate. It is expected that the planar latch-up distance ensured for adjacent NMOS and PMOS transistors is significantly shortened so that the planar area of the new CMOS can be significantly reduced.

要約すれば、CMOS構造のトランジスタのソース/ドレイン領域は、半導体基板の側壁の縦方向に沿った、湾曲形状または凹状の開口部から横方向に、成長させられるので、ソース/ドレイン領域の上面は、良好な質で平坦または平面状となり得る。さらに、LDD(低濃度にドーピングされたドレイン)の面は、選択成長中のインサイチュドーピング手法(in-situ doping technique)により、トランジスタチャネルおよび基板本体いずれからも水平方向に成長させられ、上部シリコンから下方にソース/ドレイン領域内へのみ形成され得るイオン注入プロセス、ならびに、接合境界が画定および制御されるのを困難にし得る熱アニーリングプロセスは存在しない。イオン注入プロセスにより形成される従来のドーピングされた領域と違って、そうした選択的に成長させられる半導体領域(たとえば、ドーピングされていない領域、LDD領域、および高濃度にドーピングされた領域)は、半導体基板から独立している。本発明は、プレーナトランジスタ構造だけでなく、フィン状のトランジスタ構造にも適用され得る。 In summary, the source/drain regions of the transistors in the CMOS structure are grown laterally from the curved or concave openings along the vertical direction of the sidewalls of the semiconductor substrate, so that the top surfaces of the source/drain regions can be flat or planar with good quality. Furthermore, the LDD (lightly doped drain) surface is grown horizontally from both the transistor channel and the substrate body by in-situ doping techniques during selective growth, and there is no ion implantation process that can be formed only from the top silicon downward into the source/drain regions, and no thermal annealing process that can make the junction boundary difficult to define and control. Unlike the conventional doped regions formed by ion implantation processes, such selectively grown semiconductor regions (e.g., undoped regions, LDD regions, and heavily doped regions) are independent of the semiconductor substrate. The present invention can be applied to not only planar transistor structures, but also fin-like transistor structures.

さらに、本発明では、ゲルマニウムまたは炭素原子などの種々の非シリコンドーパントをも含む高濃度にドーピングされた領域へのLDDのSEG形成は、応力を増加させてチャネル移動性を向上させる。ドーピング濃度プロファイルは、本発明による、ソース/ドレイン領域のSEG/ALD形成において制御可能であり、または調整可能である。 Furthermore, in the present invention, SEG formation of LDD into heavily doped regions, including various non-silicon dopants such as germanium or carbon atoms, increases stress and improves channel mobility. The doping concentration profile can be controlled or tuned in the SEG/ALD formation of source/drain regions in accordance with the present invention.

装置および方法の数多くの修正および改変を、本発明の教示を維持しながら行い得ることを当業者は容易に気付くであろう。よって、上記開示は、添付された請求項の境界によってのみ限定されるものと解されるべきである。 Those skilled in the art will readily recognize that numerous modifications and variations of the apparatus and methods may be made while retaining the teachings of this invention. Accordingly, the above disclosure should be construed as limited only by the metes and bounds of the appended claims.

Claims (14)

初期半導体表面(OSS)を備えた半導体基板と、
第1のゲート領域と、
前記半導体基板において、前記初期半導体表面の下に形成された第1の凹部と、
前記第1の凹部内で、前記半導体基板の側壁の縦方向に沿って形成された、湾曲形状または凹状の開口部と、
前記第1の凹部内に形成され、第1のドーピング領域および第2のドーピング領域を含む第1の導電領域
を備え、
前記第1のドーピング領域は、前記半導体基板の前記側壁の前記縦方向に沿った前記湾曲形状または凹状の開口部をベースとして形成された、
トランジスタ構造。
a semiconductor substrate having an initial semiconductor surface (OSS);
a first gate region;
a first recess formed in the semiconductor substrate below the initial semiconductor surface;
a curved or concave opening formed in the first recess along a vertical direction of a sidewall of the semiconductor substrate;
a first conductive region formed in the first recess, the first conductive region including a first doped region and a second doped region;
The first doping region is formed based on the curved or concave opening along the vertical direction of the sidewall of the semiconductor substrate.
Transistor structure.
前記第2のドーピング領域の上面が平坦または平面状である、請求項1に記載のトランジスタ構造。 The transistor structure of claim 1, wherein the upper surface of the second doped region is flat or planar. 前記湾曲形状または凹状の開口部が、シグマ(Σ)形状のアンダーカットである、請求項1に記載のトランジスタ構造。 The transistor structure of claim 1, wherein the curved or concave opening is a sigma (Σ) shaped undercut. 前記トランジスタ構造がさらに、前記第2のドーピング領域の上面および最側方側壁に接触するメタルプラグを備え、前記第2のドーピング領域は、高濃度にドーピングされた領域である、請求項1に記載のトランジスタ構造。 The transistor structure of claim 1, further comprising a metal plug contacting a top surface and a lateral-most sidewall of the second doped region, the second doped region being a highly doped region. 前記湾曲形状または凹状の開口部が、複数の非縦方向の半導体部分側壁を含み、前記第1のドーピング領域は前記複数の非縦方向の半導体部分側壁をベースとして選択的に成長させられる、請求項1に記載のトランジスタ構造。 The transistor structure of claim 1, wherein the curved or concave opening includes a plurality of non-vertical semiconductor portion sidewalls, and the first doping region is selectively grown using the plurality of non-vertical semiconductor portion sidewalls as a base. 前記トランジスタ構造がさらに、前記第1の凹部内に、第1のアイソレーション領域を備え、前記第1の導電領域が前記第1のアイソレーション領域の上にある、請求項1に記載のトランジスタ構造。 The transistor structure of claim 1, wherein the transistor structure further comprises a first isolation region within the first recess, and the first conductive region overlies the first isolation region. 前記湾曲形状または凹状の開口部が、前記第1のゲート領域の下にある、請求項1に記載のトランジスタ構造。 The transistor structure of claim 1, wherein the curved or concave opening is below the first gate region. OSSを備えた半導体基板と、
第1のトランジスタであって、
前記OSSの上の第1のゲート領域、
前記半導体基板において、前記OSSの下に形成された第1の凹部、
前記半導体基板において、前記第1のゲート領域の下に形成され、前記第1の凹部と連通する、湾曲した、または凹状の第1のアンダーカット、および
第1のドーピング領域および第2のドーピング領域を有する第1の導電領域であって、前記第1のドーピング領域の少なくとも一部分が、前記湾曲した、または凹状の第1のアンダーカット内にある、第1の導電領域
を備える、第1のトランジスタと、
第2のトランジスタであって、
前記OSSの上の第2のゲート領域、
前記半導体基板において、前記OSSの下に形成された第2の凹部、
前記半導体基板において、前記第2のゲート領域の下に形成され、前記第2の凹部と連通する、湾曲した、または凹状の第2のアンダーカット、および
第3のドーピング領域および第4のドーピング領域を有する第2の導電領域であって、前記第3のドーピング領域の少なくとも一部分が、前記湾曲した、または凹状の第2のアンダーカット内にある、第2の導電領域
を備える、第2のトランジスタと
を備える、トランジスタ構造。
A semiconductor substrate having an OSS;
A first transistor,
a first gate region over the OSS;
a first recess formed in the semiconductor substrate below the OSS;
a first transistor comprising: a curved or concave first undercut formed in the semiconductor substrate beneath the first gate region and in communication with the first recess; and a first conductive region having a first doped region and a second doped region, at least a portion of the first doped region being within the curved or concave first undercut;
a second transistor,
a second gate region over the OSS;
a second recess formed in the semiconductor substrate below the OSS;
a second undercut, formed in the semiconductor substrate beneath the second gate region, the second undercut being curved or concave and in communication with the second recess; and a second conductive region having a third doped region and a fourth doped region, at least a portion of the third doped region being within the curved or concave second undercut.
前記トランジスタ構造がさらに、
前記第2のドーピング領域の上面および最側方側壁に接触する第1のメタルプラグであって、前記第2のドーピング領域が、高濃度にドーピングされた領域である、第1のメタルプラグと、
前記第4のドーピング領域の上面および最側方側壁に接触する第2のメタルプラグであって、前記第4のドーピング領域が、高濃度にドーピングされた領域である、第2のメタルプラグと
を備える、請求項8に記載のトランジスタ構造。
The transistor structure further comprises:
a first metal plug contacting a top surface and a lateralmost sidewall of the second doped region, the second doped region being a heavily doped region; and
9. The transistor structure of claim 8, further comprising: a second metal plug contacting a top surface and a lateral-most sidewall of the fourth doped region, the fourth doped region being a heavily doped region.
前記トランジスタ構造がさらに、
前記第1の凹部内の第1のアイソレーション領域であって、前記第1の導電領域が前記第1のアイソレーション領域の上にある、第1のアイソレーション領域と、
前記第1の凹部内の第2のアイソレーション領域であって、前記第2の導電領域が前記第2のアイソレーション領域の上にある、第2のアイソレーション領域
を備える、請求項8に記載のトランジスタ構造。
The transistor structure further comprises:
a first isolation region in the first recess, the first conductive region overlying the first isolation region;
9. The transistor structure of claim 8 comprising a second isolation region in the first recess, the second conductive region overlying the second isolation region.
前記第2のドーピング領域の上面が平坦または平面状であり、前記第4のドーピング領域の上面が平坦または平面状である、請求項8に記載のトランジスタ構造。 The transistor structure of claim 8, wherein the upper surface of the second doped region is flat or planar, and the upper surface of the fourth doped region is flat or planar. 前記湾曲した、または凹状の第1のアンダーカットは、複数の非縦方向の半導体部分側壁を含み、前記第1のドーピング領域は前記複数の非縦方向の半導体部分側壁をベースとして選択的に成長させられ、前記湾曲した、または凹状の第2のアンダーカットは、別の複数の非縦方向の半導体部分側壁を含み、第3のドーピング領域は前記別の複数の非縦方向の半導体部分側壁をベースとして選択的に成長させられる、請求項8に記載のトランジスタ構造。 The transistor structure of claim 8, wherein the curved or concave first undercut includes a plurality of non-vertical semiconductor portion sidewalls, the first doping region is selectively grown based on the plurality of non-vertical semiconductor portion sidewalls, and the curved or concave second undercut includes another plurality of non-vertical semiconductor portion sidewalls, and the third doping region is selectively grown based on the another plurality of non-vertical semiconductor portion sidewalls. 前記第1のドーピング領域のドーピング濃度は、前記第3のドーピング領域のドーピング濃度と異なる、請求項8に記載のトランジスタ構造。 The transistor structure of claim 8, wherein the doping concentration of the first doping region is different from the doping concentration of the third doping region. 前記第2のドーピング領域のドーピング濃度は、前記第4のドーピング領域のドーピング濃度と同じであるか、または実質的に同じである、請求項8に記載のトランジスタ構造。 The transistor structure of claim 8, wherein the doping concentration of the second doping region is the same as or substantially the same as the doping concentration of the fourth doping region.
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